콘트롤 밸브 액추에이터의 기능

 

콘트롤 밸브 액추에이터의 기능 by Plant Inside

콘트롤 밸브는 몸체인 밸브와 액추에이터를 하나로 구성하여 조작부의 Controller를 통해 밸브를 조작하고 결과적으로 그에 해당하는 Process의 양을 조절하는 장치의 총칭입니다. 

콘트롤 밸브에서 액추에이터는 밸브 플러그의 위치를 결정하는 주요 기능을 가지고 있습니다. 공정상에서 적절한 밸브 플러그의 위치 선정을 어떻게 유지하느냐에 따라 성공적인 Process control 을 수행할 수가 있습니다. 

콘트롤 밸브 액추에이터의 구성

<Figure 1 Control Valve Actuator Components>

 

1. Loading Pressure Connection

Instrument pneumatic Air or Gas가 들어가는 위치입니다. 

2. Diaphragm Casing

상부 케이싱과 하부 케이싱으로 구분되며 Diaphragm 의 케이싱 역활을 합니다.

3. Diaphragm and stem shown in up position

다이어프램 은 격막을 일컫는 말이며 유체(공기나 가스)에 의해 구동되는 가동부로서 Loading pressure에 의해 상부, 하부방향으로 이동하면서 밸브의 Positioning 을 실질적으로 Control 하는 파트 입니다.

 

4. Diaphragm plate

다이어프램과 조립된 원형 판 형태

5. Actuator Spring 

Actuator spring은 Loading pressure의 공급이 중단 된 경우 밸브의 위치를 원래대로 돌려놓는 역활을 합니다. Failure position 이라고 하며 Fail position 따라서 spring 위치가 다릅니다.

• Fail close 밸브 : Actuator spring 위치가 Loading pressure 아래에 위치
• Fail open 밸브 :Actuator spring 위치가 Loading pressure 위에 위치

6. Actuator Stem

다이어프램의 동작을 Valve plug나 Valve stem으로 전달하는 역활을 하는 축입니다.
다이어프램 플레이트에 연결되어 있습니다.

7. Spring seat

Actuator spring 이 안착 고정시켜주는 역활을 홥니다. 

8. Spring adjustor

Spring 위치 조절 장치이며 나사산으로 액추에이터 바디에 설치 되며 Spring seat에 연결되어 있습니다. Spring의 압축량을 조절하는 장치입니다.

9. Yoke

밸브 본체의 보닛에 연결되는 구간이며 작동부를 감싸는 형태로 구성되어 있습니다. 

10. Travel indicator & Scale

Travel indicator는 얇은 철판으로 구성되어 있으며 Valve stem에 설치 됩니다.
Scale은 Yoke부에 설치 되며 눈금자가 설치되어 밸브가 얼마나 열리고 닫혀 있는지를 확인하기 위한 장치 입니다.

Control Valve Actuator Operating Principle

 

콘트롤 밸브는 어떻게 동작하는 것일까요?

밸브의 Inlet port와 Outlet port를 기준으로 상부방향으로 Valve Plug와 Valve Stem 이 있습니다. 밸브 Plug가 유체의 흐름을 개폐하는 역활을 수행합니다. Control valve는 크게 Spring and Diaphragm, Plug ,Solenoid valve루 나뉘어 집니다. Loading pressure connection 을 통해서 Air나 Gas가 정해진 압력에 따라 가해지면 격막(Diaphragm)이 하부방향으로 팽창하면서 동작을 하게 됩니다. 이때 Spring 또한 압력에 의해 위치가 변경되면서 최종적으로 Seat 를 통해서 Valve Plug가 동작하게 됩니다. 반대로 Loading pressure를 통한 Air가 배기 될 경우 격막은 Spring 에 의해서 상부방향으로 이동하게 되고 Valve plug 가 개방되는 동작을 취하게 됩니다. 이를 제어하는 것이 압력이며 결과적으로 Valve plug positioning을 결정합니다. 예를 들어 격막에 가해지는 압력이 100% Close를 위해서는 15 psig의 압력이 필요하다고 가정하였을 때 이에 절반인 7.5 psig의 압력이 격막에 가해질 경우 밸브 Plug 의 Position 또한 50% 개방/폐쇄 되는 것을 의미합니다.

https://www.youtube.com/watch?v=MjfBXeoPKsU

 

액추에이터의 주요 기능

액추에이터의 주요 기능은 다음과 같습니다.

• 액추에이터는 Seal과 Parking 의 마찰을 극복하고 밸브에서 유체가 이동할 때 발생하는 힘을 이겨내서 Valve plug의 위치를 Setting 값에 맞게 위치할 수 있게 해야 합니다.
• Valve plug가 위치에 이동하였을 때 관속에 발생하는 유체의 힘을 극복하고 Positioning 을 유지할 수 있게 해 주어야 합니다. 

액추에이터의 Fail Mode

액추에이터에 Loading pressure connection 을 통해 들어오는 Pneumatic power 가 중단되었을 때 Valve position 을 결정하는 것을 말합니다.

 

 

• Fail Open : Pneumatic power 공급이 중단되었을 때 Valve plug 는 Full open 상태를 유지하게 됩니다. Actuator Spring이 상부방향으로 Diaphragm을 이동시킵니다.                                                                                                  Direct-Acting 방식 : 아래 그림 2와 같이 Loading pressure air가 상부에서 격막으로 가해질 때 Spring force는 격막을 위로 올리고 있는 형상임. 따라서 Fail 상태에서 Open 으로 전환됨.

<Figure 2. Direct Acting>

 

• Fail Close : Pneumatic power 공급이 중단되었을 때 Valve plug 는 Full close상태를 유지하게 됩니다. Actuator Spring이 하부방향으로 Diaphragm을 이동시킵니다.                                                                                                  Reverse-Acting 방식 : 아래 그림과 같이 Loading pressure air가 Diaphragm 격막을 기준으로 아래에서 위쪽으로 가해지는 것을 Spring force는 격막을 아래로 당기고 있는 형상임. 따라서 Fail 상태에서 Close로 전환됨.

<Figure 3. Revers Acting>

 

플랜트 인사이드였습니다.